CN111465776A - 铁道车辆用制动衬片、使用其的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料 - Google Patents

铁道车辆用制动衬片、使用其的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料 Download PDF

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Abstract

提供一种能够抑制制动时的制动噪声的铁道车辆用制动衬片。铁道车辆用制动衬片(10)用于铁道车辆的盘式制动***。该制动衬片(10)包括：基板(40)；烧结摩擦材料(20)；以及摩擦材料支承机构(30)。摩擦材料支承机构(30)被配置于基板(40)与烧结摩擦材料(20)之间，将烧结摩擦材料(20)相对于基板可动地支承。烧结摩擦材料(20)的杨氏模量为35.0Gpa以上。

Description

铁道车辆用制动衬片、使用其的铁道车辆用盘式制动***及 用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料
技术领域
本公开涉及铁道车辆用制动衬片、使用其的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料。
背景技术
在以新干线为代表的铁道车辆中，高速化及大型化正在发展。作为这些铁道车辆的制动装置之一，采用盘式制动***。
铁道车辆用盘式制动***被分类到粘合方式的机械制动装置。铁道车辆用盘式制动***包括制动盘和制动钳。制动盘被安装于铁道车辆的车轮或车轴。制动钳被安装于作为行驶装置的转向架。制动钳具备：制动衬片；安装有制动衬片的钳臂；以及液压或气压的按压机构，其驱动钳臂从而将制动衬片按压于制动盘。制动时，通过按压机构将制动衬片按压于制动盘的滑动面。这时，铁道车辆用盘式制动***通过在制动盘和制动衬片之间所产生的摩擦力来对车轮或车轴的转动进行制动，使铁道车辆减速或停止。
制动衬片包含：可安装于制动钳的钳臂上的基板；摩擦材料；以及摩擦材料支承机构。摩擦材料支承机构被配置于基板与摩擦材料之间，支承摩擦材料。摩擦材料支承机构例如也可以包含以碟形弹簧为代表的弹性构件。制动衬片中的摩擦材料支承机构将摩擦材料能够沿基板的板厚方向移动地支承。因此，在制动时能够根据制动盘的凹凸而使摩擦材料沿基板的板厚方向可动，能够使摩擦材料相对于制动盘的接触面积增大。因此，容易使制动时的摩擦材料的接触压力分布均匀。其结果，能够使制动盘的温度分布均匀，进而也能够抑制摩擦材料的偏磨损。
然而，在包含摩擦材料支承机构的制动衬片中，在制动时容易产生被称为“制动噪声”的噪声。认为制动噪声是由于制动盘与制动衬片之间所产生的摩擦力使铁道车辆用制动盘***整体产生自激振动从而产生的。自激振动是将来自外部的稳定的(非振动的)能量在***内部转换为激振能量，并对自身进行激振，从而使振动的振幅变大的现象。
在日本特开2011-214629号公报(专利文献1)、日本特开2015-218808号公报(专利文献2)及日本特开2014-122313号公报(专利文献3)中提出了抑制包含摩擦材料支承机构的制动衬片的制动噪声的技术。
专利文献1的技术将摩擦构件的支承机构的刚性定义为“支承刚性”，通过控制该支承刚性来减少制动噪声。具体地说，专利文献1所公开的铁道车辆用制动衬片包含摩擦构件和支承摩擦构件的基板。并且，与在将该制动衬片配置于转向架的状态下的、存在于制动衬片的铅垂方向中心线H部的摩擦构件的支承刚性相比，增大中心线H部以外的部分的摩擦构件的支承刚性。
专利文献2的技术是通过对摩擦材料赋予阻尼(衰减能力)来减少制动噪声。具体地说，专利文献2所公开的衬片用摩擦材料包含聚四氟乙烯和丙烯酸橡胶改性酚醛树脂。
专利文献3的技术通过使摩擦材料的摩擦系数稳定化而减少制动噪声。具体地说，专利文献3所公开的摩擦材料包含纤维基材、摩擦调整材料及结合材料，还包含2种以上的非晶须状钛酸化合物。2种以上的非晶须状钛酸化合物至少包含非晶须状钛酸锂钾，不包含铜成分。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-214629号公报
专利文献2：日本特开2015-218808号公报
专利文献3：日本特开2014-122313号公报
非专利文献
非专利文献1：日本机械学会论文集A编第71卷709号论文No.03-1224
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，在专利文献1中控制摩擦构件的支承机构的刚性(支承刚性)来抑制制动噪声。另外，在专利文献2中对摩擦材料赋予阻尼功能来抑制制动噪声。在专利文献3中通过使摩擦材料的摩擦系数稳定化来抑制制动噪声。但是，抑制铁道车辆用盘式制动***中的制动噪声的方法并不限于上述方法，也可以是其他方法。
本公开的目的在于提供一种能够在铁道车辆的制动时抑制制动噪声的铁道车辆用制动衬片、使用该铁道车辆用制动衬片的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料。
用于解决技术课题的技术方案
本公开的铁道车辆用制动衬片是用于铁道车辆用盘式制动***的铁道车辆用制动衬片，包括：
基板；
烧结摩擦材料，由多个粉末颗粒烧结而成，以及
摩擦材料支承机构，其被配置于所述基板与所述烧结摩擦材料之间，支承所述烧结摩擦材料；
所述烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上。
本公开的铁道车辆用盘式制动***，包括：
制动盘，其被安装于所述铁道车辆的车轮或车轴，以及
制动钳，其被安装于所述铁道车辆的转向架；
所述制动钳具备：
上述铁道车辆用制动衬片，
钳臂，其安装有所述铁道车辆用制动衬片，以及
按压机构，其能够将所述铁道车辆用制动衬片按压于所述制动盘。
本公开的烧结摩擦材料用于铁道车辆用制动衬片。
发明效果
本公开的铁道车辆用制动衬片、使用铁道车辆用制动衬片的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料能够在铁道车辆的制动时抑制制动噪声。
附图说明
图1是表示由使用对置式的盘式制动***的制动噪声解析结果得到的、烧结摩擦材料的杨氏模量与最大噪声指标的关系的图。
图2是表示由使用浮动式的盘式制动***的制动噪声解析结果得到的、烧结摩擦材料的杨氏模量与最大噪声指标的关系的图。
图3是本实施方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。
图4A是浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。
图4B是用于说明浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的制动动作的示意图。
图5是与图4A及图4B不同的、铁道车辆用盘式制动***的示意图。
图6是对置方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。
图7是从制动盘侧观察铁道车辆用制动衬片的情况下铁道车辆用制动衬片的主视图。
图8是在图7中的线段VIII-VIII的剖视图。
图9是与图7不同的其他铁道车辆用制动衬片的主视图。
图10是表示烧结摩擦材料的气孔率与杨氏模量的关系的图。
具体实施方式
本发明人等首先对于在包含具有摩擦材料支承机构的铁道车辆用制动衬片的铁道车辆用盘式制动***中，产生制动噪声的原因进行了调查及研究。
铁道车辆用盘式制动***主要存在浮动方式和对置方式这2种。浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的制动钳在支承一对制动衬片的一对钳臂中的一者上，具备用于将制动衬片按压于制动盘的按压机构。在浮动方式的情况下，通过按压机构将一对钳臂中的一者上所安装的制动衬片向制动盘推进，并按压于制动盘。这时，在相对于制动衬片向制动盘的按压力的反作用力的作用下，制动钳向按压机构对制动衬片的按压方向的相反方向滑动。其结果，一对制动衬片夹持被安装于车轮或车轴的制动盘而进行制动动作。此外，按压机构包含公知的活塞及/或隔膜等。对置方式的铁道车辆用盘式制动***的制动钳在支承一对制动衬片的一对钳臂这二者上具备按压机构。在铁道车辆用盘式制动***中利用浮动方式，也利用对置方式。因此，在浮动方式及对置方式的任意一个方式中，优选能够抑制制动噪声的方式。
本发明人等关注了铁道车辆用盘式制动***的构成中的、作为浮动方式及对置方式的任意一个方式均可应用的构成的烧结摩擦材料。并且，本发明人等认为，如果能够通过烧结摩擦材料的机械特性来抑制制动噪声，则无论是具备何种方式的制动钳的铁道车辆用盘式制动***，都能够抑制制动噪声。
另外，使用铁道车辆用盘式制动***的高速铁道车辆有时在260km/时以上的高速区域行驶。在这样的高速区域中通过盘式制动***进行制动的情况下，制动盘与制动衬片的烧结摩擦材料之间的摩擦系数根据制动开始时的铁道车辆的速度而变化。在有时也在260km/时以上的高速区域行驶的高速铁道车辆的情况下，制动盘和制动衬片的烧结摩擦材料之间的摩擦系数根据行驶时的速度而进行0.2～0.6的大范围的变化。因此，在应用于铁道车辆的盘式制动***的制动衬片中，希望能够在0.2～0.6的范围的摩擦系数中抑制制动噪声。
因此，本发明人等在可能在260km/时以上的高速区域行驶的铁道车辆用盘式制动***的制动衬片所使用的烧结摩擦材料中，对0.2～0.6的范围的摩擦系数中的机械特性与制动噪声的关系进行了调查和研究。其结果，明确了在烧结摩擦材料的各种机械特性中，杨氏模量与制动噪声表现出负的相关。因此，本发明人等对杨氏模量与制动噪声的关系进行进一步详细研究，结果，首次发现在烧结摩擦材料中，如果使杨氏模量为35.0Gpa以上，则在0.2～0.6范围的摩擦系数中能够充分地抑制制动噪声。以下，对这一点进行详细说明。
图1是表示通过使用对置式的盘式制动***进行制动噪声解析而得到的、烧结摩擦材料的杨氏模量(GPa)与最大噪声指标的关系的图。图2是表示通过使用浮动式的盘式制动***进行制动噪声解析而得到的、烧结摩擦材料的杨氏模量(GPa)与最大噪声指标的关系的图。图1及图2通过基于有限元法(FEM)的复特征值分析而得到。在此，最大噪声指标利用以下方法定义。在基于有限元法(FEM)的复特征值分析中，通过变更烧结摩擦材料的杨氏模量并实施复特征值分析，从而得到固有振动频率和衰减比。若得到的衰减比为负，则判断为不稳定模式。将不稳定模式中的衰减比的绝对值的每1/3倍频带频率中的和定义为“噪声指标”。在求得的噪声指标中，将最大的噪声指标定义为“最大噪声指标”。
本发明人等反复进行基于FEM的复特征值分析和实验，结果，判断为如果使最大噪声指标降低到目标值(2.0)以下，则能够充分地抑制制动噪声。
图1及图2的上部所记载的各标记旁边所记载的数值，是对应的标记的摩擦系数。参照图1及图2，在任一方式(图1：对置方式，图2：浮动方式)中，在摩擦系数为0.2～0.6的范围内，如果烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上，则最大噪声指标为2.0以下，能够充分地抑制制动噪声。因此，如果烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上，则在具有摩擦材料支承机构的铁道车辆用制动衬片中，在铁道车辆的制动中能够充分地抑制制动噪声。
此外，在0.2～0.6的范围的摩擦系数中，到烧结摩擦材料的杨氏模量为100.0GPa为止，随着使烧结摩擦材料的杨氏模量增大，最大噪声指标单调减少。另一方面，如果杨氏模量超过100.0GPa，则即使继续使杨氏模量增大，最大噪声指标也不会明显降低，特别是在摩擦系数较高的情况下(摩擦系数为0.5、0.6等)，最大噪声指标大致恒定。即，关于烧结摩擦材料的杨氏模量与最大噪声指标的关系，在杨氏模量＝100.0GPa附近存在拐点。因此，在烧结摩擦材料中的Cu含量为40.0％以上的情况下，烧结摩擦材料的杨氏模量的优选上限为100.0GPa。
认为能够通过增大烧结摩擦材料的杨氏模量来抑制制动噪声的机理如下。
认为在制动盘与烧结摩擦材料的接触状态下，通过烧结摩擦材料的按压方向中的振动、和制动盘与烧结摩擦材料的滑动方向中的振动进行耦合，从而产生在铁道车辆的制动时产生的自激振动。认为在增大了烧结摩擦材料的杨氏模量的情况下，按压方向的振动和滑动方向的振动变得不易耦合，因此不易引起自激振动。
基于以上研究结果，本发明人等以在铁道车辆用制动衬片中，通过使烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0GPa以上来抑制铁道车辆的制动时的制动噪声这一与以往不同的技术思想为基础，完成了本发明。
基于以上的知识而完成的本实施方式的铁道车辆用制动衬片具备以下构成。
[1]的铁道车辆用制动衬片是用于铁道车辆用盘式制动***的铁道车辆用制动衬片，包括：
基板；
烧结摩擦材料，由多个粉末颗粒烧结而成；以及
摩擦材料支承机构，其被配置于所述基板与所述烧结摩擦材料之间，支承所述烧结摩擦材料；
所述烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上。
[1]的铁道车辆用制动衬片可以用于浮动式的铁道车辆用盘式制动***，也可以用于对置式的铁道车辆用盘式制动***。在本实施方式的铁道车辆用制动衬片中，烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上。因此，即使将本实施方式的铁道车辆用制动衬片应用于设想为在行驶速度为260km/时以上的高速区域中行驶的铁道车辆的情况下，也能够在摩擦系数为0.2～0.6的大范围内抑制制动噪声。
[2]的铁道车辆用制动衬片是[1]所述的铁道车辆用制动衬片，
所述烧结摩擦材料含有以质量％计为40.00％以上的Cu；
所述烧结摩擦材料的气孔率为12.0％以下。
[3]的铁道车辆用制动衬片是[1]或[2]所述的铁道车辆用制动衬片，
所述烧结摩擦材料的杨氏模量为100.0Gpa以下。
[4]的铁道车辆用制动衬片是[1]至[3]的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片，
所述摩擦材料支承机构包含被配置于所述基板与所述烧结摩擦材料之间的弹性构件。
在此，弹性构件例如为弹簧、树脂等。弹簧例如为碟形弹簧、板簧、线弹簧等。树脂例如为天然橡胶、合成橡胶等。
[5]的铁道车辆用盘式制动***，包括：
制动盘，其被安装于所述铁道车辆的车轮或车轴，以及
制动钳，其被安装于所述铁道车辆的转向架；
所述制动钳具备：
上述[1]至[4]的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片，
钳臂，其安装有所述铁道车辆用制动衬片，以及
按压机构，其能够将所述铁道车辆用制动衬片按压于所述制动盘。
本实施方式的铁道车辆用盘式制动***可以为浮动式的铁道车辆用盘式制动***，也可以为对置式的铁道车辆用盘式制动***。浮动式及对置式的任意一种铁道车辆用盘式制动***均包括上述制动盘和制动钳。在本实施方式的铁道车辆用盘式制动***中，烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上。因此，即使将本实施方式的铁道车辆用制动衬片应用于设想为在行驶速度为260km/时以上的高速区域中行驶的铁道车辆的情况下，也能够在摩擦系数为0.2～0.6的大范围内抑制制动噪声。
[6]的烧结摩擦材料用于上述[1]至[4]的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片中。
以下，对本实施方式的铁道车辆用制动衬片、使用该铁道车辆用制动衬片的铁道车辆用盘式制动***及用于铁道车辆用制动衬片的烧结摩擦材料进行说明。
[铁道车辆用盘式制动***及铁道车辆用制动衬片的构成]
[铁道车辆用盘式制动***]
图3是本实施方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。参照图3，铁道车辆用盘式制动***是盘式制动装置，包括制动盘201和制动钳202。制动盘201被安装于铁道车辆的车轮或车轴(后述)。制动钳202被安装于作为行驶装置的转向架(后述)。制动钳202具备：制动衬片10；安装有制动衬片10的钳臂203；以及按压机构204。按压机构204在制动时将制动衬片10按压于制动盘201。按压机构204例如是活塞及/或隔膜。按压机构204可以是气压式，也可以是液压式。按压机构204将制动衬片10按压于制动盘201，使制动衬片10与制动盘201之间产生摩擦力，抑制车轮或车轴的旋转从而对铁道车辆进行制动。本实施方式的铁道车辆用盘式制动***可以是对置方式，也可以是浮动方式。
图4A是浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。参照图4A，浮动方式的铁道车辆用盘式制动***与图3相同，包括制动盘201(201A及201B)和制动钳202。在图4A中，在一对制动盘201A及201B之间配置有车轮300。制动盘201A及201B被固定于车轮300。制动钳202被安装于作为行驶装置的转向架400。具体地说，浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的制动钳202能够沿车轮300的厚度方向(与车轮300的径向垂直的方向)滑动地安装于转向架400。
制动钳202具备：一对钳臂203A及203B；按压机构204；以及一对制动衬片10。钳臂203A及203B分别具备制动衬片10。被安装于钳臂203A的制动衬片10与被安装于车轮300的制动盘201A相对地配置。被安装于钳臂203B的制动衬片10与被安装于车轮的制动盘201B相对地配置。按压机构204被安装于钳臂203A，能够将钳臂203A的制动衬片10按压于制动盘201A。
浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的制动动作如图4B所示。按压机构204推进钳臂203A的制动衬片10，并按压于车轮300的制动盘201A。这时，在制动衬片10向制动盘201A的按压力的反作用力的作用下，包含一对钳臂203A及203B的制动钳202向按压机构204对制动衬片10的按压方向的相反方向滑动。其结果，一对制动衬片10与车轮300一起夹持制动盘201A及201B，对车轮300进行制动。
此外，在图4A及图4B中，按压机构204被安装于钳臂203A，而未被安装于钳臂203B。但是，按压机构204也可以被安装于钳臂203B、并被安装于钳臂203A。另外，在图4A及图4B中，表示在车轮300上安装有制动盘201(201A及201B)的浮动方式的铁道车辆用盘式制动***。但是，在浮动方式的铁道车辆用盘式制动***中，如图5所示，制动盘201也可以被安装于车轴500。在这种情况下，制动盘201与车轴500同轴地安装于车轴500。
图6是对置方式的铁道车辆用盘式制动***的示意图。参照图6，对置方式的铁道车辆用盘式制动***与图3相同，具备制动盘201(201A及201B)和制动钳202。在图6中，在一对制动盘201A及201B之间配置有车轮300。制动钳202被安装于作为行驶装置的转向架400。具体地说，浮动方式的铁道车辆用盘式制动***的制动钳202被固定于转向架400。
制动钳202具备：一对钳臂203A及203B；一对按压机构204；以及一对制动衬片10。钳臂203A及203B分别具备制动衬片10。被安装于钳臂203A的制动衬片10与被安装于车轮300的制动盘201A相对地配置。被安装于钳臂203B的制动衬片10与被安装于车轮300的制动盘201B相对地配置。
在对置方式的铁道车辆用盘式制动***中还在各钳臂203A及203B上安装有按压机构204。被安装于钳臂203A的按压机构204能够将钳臂203A的制动衬片10按压于制动盘201A。被安装于钳臂203B的按压机构204能够将钳臂203B的制动衬片10按压于制动盘201B。在对置方式的铁道车辆用盘式制动***中，被安装于各钳臂203A及204B的按压机构204分别将对应的制动衬片10按压于制动盘201(201A或201B)从而对车轮300进行制动。
总之，在浮动方式的铁道车辆用盘式制动***中使用1个按压机构204来实施制动动作，与此不同，在对置方式的铁道车辆用盘式制动***中使用2个按压机构204来实施制动动作。此外，在图6中，表示在车轮300上安装有制动盘201(201A及201B)的对置方式的铁道车辆用盘式制动***。但是，在对置方式的铁道车辆用盘式制动***中，也可以将制动盘201替代为车轮300并安装于车轴。在这种情况下，制动盘201与车轴同轴地安装于车轴。
[制动衬片10的构成]
图7是在图3～图6所示的铁道车辆用盘式制动***中，与制动盘201的表面相对的制动衬片10的主视图。图8是图7中的线段VIII-VIII的剖视图。
参照图7及图8，制动衬片10具备：多个烧结摩擦材料20；摩擦材料支承机构30；以及基板40。
基板40被安装于制动钳202的钳臂203(参照图3)。摩擦材料支承机构30被配置于烧结摩擦材料20与基板40之间，被安装于基板40。摩擦材料支承机构30还支承烧结摩擦材料20。摩擦材料支承机构30与基板40及烧结摩擦材料连接。摩擦材料支承机构优选将烧结摩擦材料20能够沿基板40的至少厚度方向移动地支承。在此，基板40的厚度方向是指与基板40的主表面(在基板40的表面中面积最大的表面)垂直的方向。
摩擦材料支承机构30的构成没有特别限定。摩擦材料支承机构30例如包含：安装构件31；弹性构件32；以及背衬金属33。在烧结摩擦材料20的表面中，与制动盘201的滑动面200相对的表面的相反侧的面(背面)被固定于背衬金属33。安装构件31将背衬金属33能够沿基板40的厚度方向移动地安装于基板40。安装构件31例如是铆钉，但不限定于此。安装构件31也可以是螺栓及螺母，也可以是其他构成。
弹性构件32被配置于烧结摩擦材料20与基板40之间。在图8中，弹性构件32被配置于背衬金属33与基板40之间。弹性构件32例如可以是以碟形弹簧为代表的弹簧，也可以是橡胶等树脂。
摩擦材料支承机构30通过弹性构件32而将烧结摩擦材料20能够沿基板40的至少厚度方向移动地支承。由此，烧结摩擦材料20易于与制动盘201的滑动面200均匀地接触，使制动盘201的温度分布均匀化，进而抑制烧结摩擦材料20的偏磨损。
此外，摩擦材料支承机构30也可以不包含弹性构件32。摩擦材料支承机构30只要可以将烧结摩擦材料20能够沿基板40的至少厚度方向移动地支承，则对其构成或机构没有特别限定。
在图7及图8中，在基板40上配置有多个烧结摩擦材料单元，该烧结摩擦材料单元将多个烧结摩擦材料20固定于1个背衬金属33。像这样，也将具备多个烧结摩擦材料单元的制动衬片10称为等压构造的制动衬片10。等压构造的制动衬片10通过使各烧结摩擦材料单元与制动盘201均匀地接触，从而使制动衬片10与制动盘201的接触等面压化。但是，本实施方式的制动衬片10并不限定于等压构造。
在图7中，烧结摩擦材料20为圆盘状，但烧结摩擦材料20的形状没有特别限定。如图9所示，烧结摩擦材料20也可以是矩形状的板材，也可以是多边形等其他的形状。
如上所述，在图7及图9中，制动衬片10具备多个烧结摩擦材料20，但制动衬片10也可以具备1个烧结摩擦材料20，也可以具备多个烧结摩擦材料20。制动衬片10只要具备至少1个烧结摩擦材料20即可。
如上所述，在本实施方式中，烧结摩擦材料20的杨氏模量为35.0GPa以上。如图1(对置方式)及图2(浮动方式)的图表所示，在任一方式中，在制动时的摩擦系数为0.2～0.6的范围内，只要烧结摩擦材料20的杨氏模量为35.0GPa以上，则最大噪声指标为2.0以下，能够充分地抑制制动噪声。因此，烧结摩擦材料20的杨氏模量为35.0GPa以上。此外，烧结摩擦材料20的杨氏模量的上限没有特别限定，但如图1及图2所示，若烧结摩擦材料20的杨氏模量超过100.0GPa，则其效果饱和。因此，烧结摩擦材料20的优选的杨氏模量的上限为100.0GPa。此外，烧结摩擦材料20的杨氏模量可以通过依据JIS R 1602(1995)的动态弹性模量试验方法(弯曲共振法)进行测定。
[烧结摩擦材料的化学组成例]
只要烧结摩擦材料20的杨氏模量为35.0GPa以上，则对其化学组成没有特别限制。烧结摩擦材料优选由Cu基合金构成的烧结材料。烧结摩擦材料通过烧结多个粉末颗粒而形成。粉末颗粒的各颗粒的粒径没有特别限定，但粉末颗粒的各颗粒的粒径例如为1～1000μm。以下，对烧结摩擦材料的化学组成的一个示例进行说明，但如上所述，烧结摩擦材料的化学组成并不限定于此。此外，与烧结摩擦材料的组成相关的“％”是指质量％。
[关于烧结摩擦材料的原料]
作为烧结摩擦材料的原料的原料粉末由上述多个粉末颗粒构成。具体地说，原料粉末含有Cu及分散剂。
原料粉末中的优选的Cu含量如下。
Cu：40.00％以上
铜(Cu)作为烧结摩擦材料的基质(基材)发挥功能。Cu具有较高的导热性。因此，能够抑制制动时(摩擦时)的制动对象(制动盘等)与烧结摩擦材料的界面温度的上升，并抑制过度热粘的发生。因此，烧结摩擦材料的耐磨损性提高。作为基质的Cu还保持基质中所含有的后述的分散剂(润滑材料、硬质颗粒)。如果原料粉末中的Cu含量为40.00％以上，则能够更有效地得到上述效果。Cu含量的优选下限为45.00％，更优选为50.00％，进而优选为55.00％。
Cu含量的上限没有特别限定。Cu含量的优选上限为75.00％。若Cu含量为75.00％以下，则有效地抑制由针对作为制动对象的制动盘的滑动面的粘连而引起的摩擦，烧结摩擦材料的耐磨损性更有效地提高。因此，原料粉末中的Cu含量的优选范围为40.00～75.00％。
上述的原料粉末除由Cu构成的粉末颗粒之外，也可以还含有其他金属颗粒(Ni、Zn、Sn、Fe等)。这些金属颗粒是烧结摩擦材料的公知的原料。
[分散剂]
作为烧结摩擦材料20的原料的原料粉末也可以还含有选自由以下(1)～(7)组成的群中的至少1种以上的分散剂。更具体地说，烧结摩擦材料20的原料也可以含有以质量％计为40.00％以上的Cu、选自由(1)～(7)组成的群中的至少1种以上的分散剂。此外，原料粉末也可以不含有分散剂。
(1)石墨
(2)选自由氧化镁、锆砂、二氧化硅、氧化锆、莫来石及氮化硅组成的群中的1种以上
(3)选自由W及Mo组成的群中的1种以上
(4)选自由铬铁、钨铁、钼铁以及不锈钢组成的群中的1种以上
(5)选自由以下(a)～(d)组成的群中的1种以上
(a)六方氮化硼
(b)二硫化钼
(c)云母
(d)选自硫化铁、硫化铜及冰铜中的1种以上
(6)钒碳化物
(7)Fe
以下，对(1)～(7)的分散剂进行说明。
(1)石墨
本说明书中的石墨可以是天然石墨，也可以人造石墨。在加压烧结后的烧结摩擦材料中，石墨作为颗粒含有在基质中。石墨作为润滑材料发挥功能，使摩擦系数稳定化，减少烧结摩擦材料的磨损量。即，石墨提高烧结摩擦材料的耐磨损性。原料粉末中优选的石墨含量为5.00～15.00％。
(2)选自由氧化镁、锆砂、二氧化硅、氧化锆、莫来石及氮化硅组成的群中的1种以上
氧化镁(MgO)、锆砂(ZrSiO4)、二氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、莫来石(3Al2O3·2SiO2～2Al2O3·SiO2)及氮化硅(Si3N4)均为陶瓷，作为硬质颗粒发挥功能。在加压烧结后的烧结摩擦材料中，这些陶瓷作为颗粒含有在基质中。这些陶瓷均通过刮擦制动对象(制动盘等)的滑动面来去除在滑动面上生成的氧化膜，从而使粘连稳定地产生。由此，能够抑制烧结摩擦材料的针对制动对象(制动盘等)的摩擦系数的降低，得到优异的摩擦特性。原料粉末中的、选自由这些陶瓷组成的群中的1种以上的优选合计含量为1.50～15.00％。
(3)选自由W及Mo组成的群中的1种以上
钨(W)及钼(Mo)的任意一者均作为硬质颗粒发挥功能。W及Mo不固溶于基质的Cu，而作为颗粒含有在基质中。W及Mo均提高烧结摩擦材料的耐磨损性。如果与后述的Fe系合金颗粒一同含有W及/或Mo，则烧结摩擦材料的耐磨损性进一步提高。选自由W及Mo组成的群中的1种以上的优选合计含量为3.0～30.0％。
(4)选自由铬铁、钨铁、钼铁以及不锈钢组成的群中的1种以上
铬铁(FeCr)、钨铁(FeW)、钼铁(FeMo)以及不锈钢任意一种均不固溶于基质中，而作为颗粒含有在基质中。在本说明书中，将铬铁、钨铁、钼铁以及不锈钢统称为Fe系合金颗粒。这些Fe系合金颗粒均提高烧结摩擦材料的耐磨损性。其理由虽不确定，但可考虑以下理由。
Fe系合金颗粒的硬度高于基质(Cu)。进而，与上述陶瓷(氧化镁、锆砂、二氧化硅、氧化锆、莫来石及氮化硅)相比，Fe系合金颗粒与基质的亲和性高，不易从基质剥离。因此，Fe系合金颗粒提高烧结摩擦材料的耐磨损性。原料粉末中的Fe系合金颗粒的优选合计含量为2.0～20.0％。
在本说明书中，铬铁包含JIS G 2303(1998)中规定的高碳铬铁(FCrH0～FCrH5)、中碳铬铁(FCrM3、FCrM4)及低碳铬铁(FCrL1～FCrL4)中的1种以上。
在本说明书中，钨铁指具有JIS G 2306(1998)中规定的化学组成的钨铁(FW)。
在本说明书中，钼铁包含JIS G 2307(1998)中规定的高碳钼铁(FMoH)及低碳钼铁(FMoL)中的1种以上。
在本说明书中，不锈钢指含有以质量％计为50.0％以上的Fe和10.5％以上Cr的合金钢，更优选指JIS G 4304(2012)中规定的不锈钢。本说明书中的不锈钢例如可以是以上述JIS标准所规定的SUS403、SUS420为代表的马氏体系不锈钢，也可以是以SUS430为代表的铁素体系不锈钢。也可以是以SUS304、SUS316、SUS316L为代表的奥氏体系不锈钢。也可以是以SUS329J1为代表的奥氏体·铁素体系不锈钢。也可以是以SUS630为代表的析出硬化系不锈钢。
(5)选自由以下(a)～(d)组成的群中的1种以上
(a)六方氮化硼
(b)二硫化钼
(c)云母
(d)选自硫化铁、硫化铜及冰铜中的1种以上
六方氮化硼(h-BN)、二硫化钼(MoS2)、云母(云母)及选自硫化铁、硫化铜及冰铜中的1种以上，均作为润滑材料发挥功能。这些润滑材料与石墨相同，使烧结摩擦材料的摩擦系数稳定化，得到优异的摩擦特性。
冰铜是JIS H 0500(1998)的伸铜产品术语编号5400所记载的产品，主要由硫化铁和硫化铜构成。硫化铁、硫化铜分别单独作为润滑剂而起作用。另外，也可以将硫化铁和硫化铜作为混合物来使用。上述的冰铜能够作为硫化铁和硫化铜的混合物使用且廉价，因此从经济性的观点考虑是有利的。优选六方氮化硼的含量以质量％计为超过0％且为3.0％以下，二硫化钼的含量以质量％计为超过0％且为3.0％以下，云母的含量以质量％计为超过0％且为3.0％以下，选自硫化铁、硫化铜及冰铜中的1种以上的合计含量以质量％计为超过0％且为1.0％以下。
(6)钒碳化物
钒碳化物(VC)是硬质颗粒，作为颗粒含有在基质中。钒碳化物通过与W的协同效果而进一步提高烧结摩擦材料的耐磨损性。但是，若钒碳化物的含量过高，则烧结摩擦材料的烧结性降低，从而耐磨损性降低。钒碳化物的优选含量以质量％计为超过0％且为5.00％以下。
(7)Fe
铁(Fe)在烧结摩擦材料的基质中作为颗粒或凝聚体而含有在烧结摩擦材料中。Fe提高基质的强度，并提高烧结摩擦材料的耐磨损性。Fe进而通过热粘来提高烧结摩擦材料的摩擦系数。原料粉末中的Fe的优选含量以质量％计为超过0％且为20.0％以下。
烧结摩擦材料的原料粉末的剩余部分为杂质。在此，杂质是指在工业上制造原料粉末时，从原料或制造环境等混入的物质，在不对本实施方式的烧结摩擦材料造成不良影响的范围内被允许的物质。
上述烧结摩擦材料例如如后所述，将上述的原料粉末在800～1000℃下加压烧结而形成。
[关于烧结摩擦材料的化学组成的确定方法]
在通过将上述原料粉末烧结而成形烧结摩擦材料的情况下，成形后的烧结摩擦材料的化学组成含有以质量％计为40.00％以上的Cu。优选为，烧结摩擦材料的Cu含量为含有40.00～75.00％的Cu。
[烧结摩擦材料的气孔率]
烧结摩擦材料的优选的气孔率为12.0％以下。图10是表示在上述原料粉末的范围内，以后述的实施例所示的原料粉末制造的烧结摩擦材料的气孔率(％)与杨氏模量(GPa)的关系的图。参照图10，在烧结摩擦材料中，气孔率与杨氏模量显示的负相关。具体地说，随着烧结摩擦材料的气孔率降低，烧结摩擦材料的杨氏模量增加。在将上述原料粉末烧结而形成的烧结摩擦材料的Cu含量以质量％计为40.00％以上的情况(优选为40.00～75.00％的情况)下，如果气孔率为12.0％以下，则杨氏模量为35.0GPa以上。优选的气孔率为10.0％以下，更优选为9.5％以下，进而优选为9.0％以下。
在此，基于JIS Z 2501(2000)来测定气孔率。如图10所示，随着气孔率越低而杨氏模量增加。因此，气孔率低为优选。但是，气孔率的极端的降低会提高制造成本。因此，在考虑到工业生产的情况下，气孔率的优选的下限为0.1％。
[烧结摩擦材料的制造方法的一个示例]
上述烧结摩擦材料例如通过以下的制造方法制造。烧结摩擦材料的制造方法的一个示例包含原料粉末制造工序、成形工序、以及加压烧结工序。以下，对各工序进行说明。
[原料粉末制造工序]
准备上述Cu粉末颗粒，并根据需要准备分散剂。将准备的粉末颗粒及分散剂使用公知的混合机进行混合(mixing)，制造原料粉末。公知的混合机例如是球磨机或V型混合机。
[成形工序]
将制造的原料粉末成形为规定形状而制造压粉体。原料粉末的成形应用公知的成形法即可。例如，通过冲压成形法来制造上述压粉体。具体地说，准备用于成形规定的形状的摸具(冲模)。向模具内填充原料粉末。由冲压机以公知的压力对被填充到模具中的粉粒体加压，成形为压粉体。冲压机中的成形压力例如为1.0～10.0ton/cm2。成形在大气中进行即可。
[加压烧结工序]
针对制造好的压粉体实施公知的加压烧结法，制造烧结摩擦材料。例如，在加压烧结装置内的石墨板上配置压粉体。之后，在内周面上配置有高频加热线圈的壳体状的框架内，将配置有原料粉末的石墨板堆叠并容纳。之后，一边对最上层的石墨板施加压力从而对压粉体进行加压，一边在烧结气氛中以规定的烧结温度进行烧结。
加压烧结在公知的条件下实施即可。加压烧结时的烧结温度例如为800～1000℃。加压烧结时对压粉体施加的压力例如为2.0～20.0kgf/cm2。加压烧结时的上述烧结温度下的保持时间为60～120分。加压烧结时的气氛为公知的气氛，例如为5～20％以下的H2气体与N2气体的混合气体，或Ar气体。
通过上述加压烧结，在压粉体内的粉粒体的接触部形成颈部，制造上述烧结摩擦材料。通过调整成形工序中的冲压机的成形压力、加压烧结工序中的压力及温度，从而上述烧结摩擦材料的气孔率会变化。因此，通过调整成形工序中的冲压机的成形压力、加压烧结工序中的压力及温度来调整气孔率，使烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0GPa以上。优选在烧结摩擦材料的化学组成中Cu含量为40.00％以上的情况(即，原料粉末中的Cu含量为40.00％以上的情况)下，调整成形工序中的冲压机的成形压力、加压烧结工序中的压力及温度，以使烧结摩擦材料的气孔率成为12.0％。由此，烧结摩擦材料的杨氏模量成为35.0GPa以上。此外，通过根据原料粉末的组成对成形工序中的冲压机的成形压力、加压烧结工序中的压力及温度进行调整，能够使烧结摩擦材料的气孔率为12.0％以下，并能够使杨氏模量为35.0GPa以上。
[其他工序]
上述制造工序也可以还包含公知的精压工序及/或公知的切削加工工序。
[精压工序]
也可以在加压烧结工序后实施精压工序。在精压工序中，对加压烧结工序后的烧结摩擦材料进行冷加压，从而调整烧结摩擦材料的形状。
[切削加工工序]
也可以在加压烧结工序后或精压工序后实施切削加工工序。在切削加工工序中，对烧结摩擦材料进行切削加工，使其成为所希望的形状。
通过以上的制造工序来制造本实施方式的烧结摩擦材料。
此外，本实施方式的烧结摩擦材料的化学组成并不限定于上述组成。烧结摩擦材料的杨氏模量能够通过化学组成和气孔率进行调整。因此，本实施方式的烧结摩擦材料只要杨氏模量为35.0GPa以上，则其化学组成及气孔率没有特别限定。
[铁道车辆用制动衬片的制造方法]
将通过上述制造工序制造的1个或多个烧结摩擦材料经由摩擦材料支承机构安装于基板。例如，如图7及图8所示，使用摩擦材料支承机构30来连接烧结摩擦材料20和基板40，支承烧结摩擦材料20。通过以上制造工序来制造铁道车辆用制动衬片10。
实施例
尝试制造杨氏模量为35.0GPa以上的摩擦材料。准备表1所示的化学组成的原料粉末。
[表1]
表1
Figure BDA0002536521510000191
表1中的空白部分表示未含有相对应的组合物。在将各试验编号的原料投入V型混合机后，以20～40rpm的旋转速度混合20～100分，制造原料粉末。使用各试验编号的原料粉末，通过冲压成形法以表1所示的成形压力(ton/cm2)进行成形，制造压粉体。对制造出的压粉体实施加压烧结，制造各试验编号的烧结摩擦材料。
具体地说，在石墨板上配置压粉体。之后，在内周面上配置有高频加热线圈的壳体状的框架内，将配置有压粉体的石墨板堆叠并容纳。以表1所示的加热温度(℃)加热60分，并且以表1所示的压力(kgf/cm2)对压粉体进行加压并对压粉体进行烧结，从而制造烧结摩擦材料。加压烧结中的框架内的气氛为5～10％的H2气体与N2气体的混合气体。通过以上的制造工序制造烧结摩擦材料。
针对制造出的烧结摩擦材料，测定气孔率、密度及杨氏模量。通过依据JIS Z 2501(2000)的方法来测定气孔率。通过依据JIS R 1602(1995)的动态弹性模量试验方法(弯曲共振法)来测定杨氏模量。
测定结果示于表1。如表1所示，通过使气孔率为12.0％以下，从而烧结摩擦材料的杨氏模量成为35.0GPa以上。因此，如图1及图2所示，在杨氏模量成为35.0GPa以上的试验编号1、5、7及8中，认为能够充分地抑制制动噪声。
以上，说明了本发明的实施方式。但是，上述实施方式只是用于实施本发明的示例。因此，本发明并不限定于上述实施方式，而在不脱离其主旨的范围内能够对上述实施方式进行适当变更并实施。
附图标记说明
10 制动衬片
20 烧结摩擦材料
30 摩擦材料支承机构
40 基板
201 制动盘
202 制动钳
203 钳臂
204 按压机构

Claims (6)

1.一种铁道车辆用制动衬片，其用于铁道车辆用盘式制动***，其中，包括：
基板，
烧结摩擦材料，由多个粉末颗粒烧结而成，以及
摩擦材料支承机构，其被配置于所述基板与所述烧结摩擦材料之间，支承所述烧结摩擦材料；
所述烧结摩擦材料的杨氏模量为35.0Gpa以上。
2.如权利要求1所述的铁道车辆用制动衬片，其中，
所述烧结摩擦材料含有以质量％计为40.00％以上的Cu；
所述烧结摩擦材料的气孔率为12.0％以下。
3.如权利要求1或2所述的铁道车辆用制动衬片，其中，
所述烧结摩擦材料的杨氏模量为100.0Gpa以下。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片，其中，
所述摩擦材料支承机构包含被配置于所述基板与所述烧结摩擦材料之间的弹性构件。
5.一种铁道车辆用盘式制动***，其中，包括：
制动盘，其被安装于所述铁道车辆的车轮或车轴，以及
制动钳，其被安装于所述铁道车辆的转向架；
所述制动钳具备：
权利要求1至4的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片，
钳臂，其安装有所述铁道车辆用制动衬片，以及
按压机构，其能够将所述铁道车辆用制动衬片按压于所述制动盘。
6.一种烧结摩擦材料，其用于权利要求1至4的任意一项所述的铁道车辆用制动衬片。
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